9月28日，葉廖緬科的東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍，方面軍的邊界從雷諾克的北部郊區，沿著伏爾加河，穿過斯大林格勒市以及城市南部，直至薩爾帕湖。戈爾多夫中將的斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍，並由羅科索夫斯基指揮。瓦杜丁中將指揮的新組建的西南方面軍部署在頓河中游和綏拉菲摩維奇橋頭堡，目的是對付羅馬尼亞第3集團軍。蘇軍對西南方面軍的存在始終高度保密。10月初，蘇聯最高統帥部向瓦杜丁、羅科索夫斯基和葉廖緬科下達了統帥部的作戰意圖。10月6—9日，“天王星”軍事行動的基本框架構建完畢，其作戰目的是包圍和殲滅斯大林格勒地區的德軍。蘇軍的裝甲部隊將兵分兩路發動進攻，一路從北部向東南方向推進，一路從斯大林格勒的南部出發，向西北方向推進，兩路人馬將在頓河河畔的卡拉奇會合，將德軍包圍在伏爾加河畔。此次行動的目標直指斯大林格勒西北和南部的羅馬尼亞第3集團軍和第4集團軍，同時，頓河方面軍將牽制並向克列茨卡亞東部第6集團軍的左翼發動進攻。西南方面軍擔負北部的主要突擊行動，該方面軍由列柳申科的近衛第1集團軍、羅曼年科的第5坦克集團軍和克里斯蒂亞科夫的第21集團軍組成，總兵力33。8萬餘人。西南方面軍的進攻計劃如下：近衛第1集團軍右翼將阻擊義大利第8集團軍，以防後者阻礙西南方面軍右翼向南部推進。在西南方面軍的左翼，在頓河方面軍第65集團軍的支援下，第21集團軍將向羅馬尼亞第3集團軍右翼發動進攻。在中部，第5坦克集團軍將穿越羅馬尼亞軍隊防線，直插第6集團軍後方，與來自斯大林格勒南部的蘇軍會合，將最初的戰術勝利轉變成為戰役勝利。第5坦克集團軍實力強大，包括布特科夫少將的第1坦克軍和羅丁少將的第26坦克軍，6個步兵師和8個騎兵軍為其提供支援。第21集團軍下屬第4坦克軍將與第5坦克集團軍協同作戰，確保消滅羅馬尼亞軍隊。根據計劃，縱深作戰行動佔據絕對優先權，坦克軍將避免與敵人發生戰術性的小規模衝突。為了佔據包圍圈的外圍，西南方面軍的右翼將在奇爾河建立一條防線。斯捷潘諾夫少將的第17空軍集團軍將從空中為西南方面軍提供支援。

西南方面軍左翼是羅科索夫斯基的頓河方面軍，該方面軍將從克列茨卡亞和頓河—伏爾加河陸橋一線發動進攻。在右側，巴托夫少將的第65集團軍將與克里斯蒂亞科夫的第21集團軍協同，切斷羅馬尼亞第3集團軍與德軍第11軍之間的聯絡。一旦完成上述任務，第65集團軍的左翼將與加里寧少將的第24集團軍在韋爾佳奇會合，包圍德軍第11軍。然而，摧毀德軍第11軍並非頓河方面軍進攻的主要目標，因為頓河方面軍不僅沒有足夠的兵力，而且蘇軍在1942年9月和10月期間還不具備突破德軍在斯大林格勒北方防線的能力。頓河方面軍第65、第24和第66集團軍的主要目標是阻止德軍干擾西南方面軍的行動。魯堅科少將的第16空軍集團軍將提供空中支援。斯大林格勒方面軍南側的進攻行動將由第64、57和51集團軍負責實施。距斯大林格勒市最近的第64集團軍將把德軍第4軍牽制在斯大林格勒市內。在其左側，第57集團軍和在更南部部署的第51集團軍將突破羅馬尼亞第6軍的防線。一旦形成突破，第57集團軍下屬第13坦克軍將與第51集團軍所屬第4機械化軍協同，向西北方向發動進攻，進一步擴大戰果，推進至卡拉奇地區。第51集團軍下屬第4哥薩克騎兵軍，將與3個步兵師（第126、302和91師）一道，在科捷利尼科沃向西南方向機動，以形成外圍環形防線。進攻的日期暫定為：北部11月9日，南部11月10日，南北部選定的時間不同與西南方面軍和斯大林格勒方面軍相應行程的不同有關，兩大方面軍分別需要推進大約128公里和97公里。

雖然德軍對“天王星”行動並不感到十分意外，但他們仍被此次行動的規模之大、攻勢之猛烈以及蘇軍的勃勃野心所震驚。德軍之所以缺乏準備，存在幾種解釋，其中之一便是蘇聯的“偽裝作戰”，它是一種旨在掩飾蘇聯進攻規模、時間和方向的偽裝、假情報和欺騙方法。蘇聯最高統帥部深知，打算完全掩蓋進攻意圖是根本不可能的，但是，偽裝作戰所取得的成功被德軍總參謀長蔡茨勒上將所證實。1942年11月28日，蘇聯最高統帥部提出，“在蘇軍準備發動進攻的過程中，必須要精心隱蔽所有參與進攻的軍隊，特別是坦克部隊。”此次大規模的軍事行動要求在兩個月之內準備105萬人、1。56萬門大炮和894輛坦克，準備過程中要掩蓋蘇軍的真正意圖。需要在伏爾加河上修建許多渡河大橋，同時，訊號兵必須在夜晚行軍過程中操作訊號燈指揮單線鐵路的交通運輸，每12分鐘將有一列火車從鐵路線上透過。諾維科夫指揮的空軍部隊將阻擊德國空軍的持續偵察以及對鐵路交通的系統性封鎖。蘇軍在夜晚調動以及晝間偽裝過程中都實施嚴格的無線電靜默，與此同時，蘇軍還專門組建虛假的無線電網路，以此來誤導德軍或打消德軍的疑慮。蘇軍的指揮官們都一直對行動的真正意圖一無所知，直至11月初，軍隊在進攻前夜才接到命令。為了加強行動的保密性，蘇軍禁止下達書面命令。無論在何種情況下，指令都儘可能地透過口頭簡報和地圖演示的方式來傳達。儘管蘇軍在其偽裝作戰中取得廣泛的成功，但是德軍還是得到了一些關於蘇軍即將發動進攻的警告。